施曉帥，姜芙林，王玉玲，楊發(fā)展，楊勇，梁鵬，馬保山

基于響應(yīng)面法的激光熔覆3540Fe涂層形貌及質(zhì)量預(yù)測(cè)研究

施曉帥，姜芙林，王玉玲，楊發(fā)展，楊勇，梁鵬，馬保山

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

目的 實(shí)現(xiàn)激光熔覆3540Fe合金涂層幾何形貌的精確控制。方法 基于響應(yīng)面法設(shè)計(jì)了在不同的激光工藝參數(shù)下42CrMo鋼表面激光熔覆3540Fe合金的試驗(yàn)，以激光功率、光斑直徑、掃描速度為影響因素，熔覆層寬度、高度、熔池深度、熔覆層寬高比、顯微硬度以及稀釋率為響應(yīng)目標(biāo)，建立了熔覆層形貌的預(yù)測(cè)模型，以熔覆層顯微硬度、寬高比作為優(yōu)化條件對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果 激光功率與熔池深度和熔覆層稀釋率成正比，熔覆層寬度、高度、寬高比隨激光功率的增大表現(xiàn)為先升高后降低，熔覆層顯微硬度與激光功率的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)。掃描速度與熔覆層寬度、高度呈負(fù)相關(guān)性，與熔覆層寬高比、顯微硬度成正比，對(duì)熔池深度和熔覆層稀釋率的影響并不顯著。光斑直徑與熔池深度和稀釋率呈負(fù)相關(guān)性，熔覆層高度隨光斑直徑的增大表現(xiàn)為先增大后減小，而寬高比表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，光斑直徑對(duì)熔覆層顯微硬度的影響并不顯著。通過對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，寬高比、稀釋率、顯微硬度的誤差分別為7.14%、5.70%、2.74%。結(jié)論 利用響應(yīng)面法建立的3540Fe合金熔覆層形貌預(yù)測(cè)模型精確程度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)3540Fe合金熔覆層幾何形貌的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為熔覆層形貌的精確控制提供了理論依據(jù)。

激光熔覆；熔覆層形貌控制；工藝參數(shù)；3540Fe；響應(yīng)面法；預(yù)測(cè)模型

42CrMo鋼因具有良好的淬透性、強(qiáng)度以及韌性，被廣泛應(yīng)用于軋輥的制造，但由于軋輥的使用環(huán)境比較惡劣，導(dǎo)致故障率非常高。通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度激光束將合金熔覆材料與基材表層快速熔化，可以在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金熔覆層。因此，激光熔覆技術(shù)成為材料表面改性的一種重要方法[1]。激光熔覆可顯著改善金屬表面的耐磨、耐蝕、耐熱和抗氧化等性能，同時(shí)因其適用的材料體系廣泛、熔覆層稀釋率可控、熔覆層與基體為冶金結(jié)合、基體熱變形小和工藝易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)還廣泛應(yīng)用于廢舊零件的再制造[2-4]。

在激光熔覆涂層的成形過程當(dāng)中，由于熔覆層是熔覆材料在高能量密度激光束的非接觸加熱下急速熔化然后迅速冷卻形成的，故其具有不同的性質(zhì)以及微觀組織結(jié)構(gòu)[5]。激光熔覆技術(shù)加工工件采用的是逐層堆積的方式，每一層又是由激光束逐道掃描所形成，在此過程中每一道之間的搭接情況、粉末的球化和黏附，以及各層之間結(jié)合造成的階梯效應(yīng)均會(huì)導(dǎo)致激光熔覆成形后的工件表面質(zhì)量較差，無法滿足實(shí)際的工藝要求，甚至?xí)绊懝ぜ挠捕?、耐磨性和抗腐蝕性等，因此必須要經(jīng)過后續(xù)的加工處理才能投入實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中[6-7]。在熔覆過程中有多種因素會(huì)影響熔覆層的質(zhì)量和形貌，其中最重要的影響因素是激光工藝參數(shù)，對(duì)此已有學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。王志堅(jiān)等[8]進(jìn)行了不同激光線能量和送粉量下的單道熔覆對(duì)比試驗(yàn)，研究了激光功率、掃描速度等激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層形狀尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)熔覆層寬度與激光功率成正比，與掃描速度成反比，熔覆層高度與送粉量成正比。朱剛賢等[9]研究發(fā)現(xiàn)熔覆層表面的平整程度會(huì)隨激光功率和送粉量的增大而下降。于天彪等[10]利用極差分析法確定了激光功率和掃描速度是影響熔覆層形貌最主要的因素，徐淑文[11]通過正交試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。上述研究都是通過大量的試驗(yàn)來總結(jié)工藝參數(shù)對(duì)熔覆層形貌的影響規(guī)律，所需試驗(yàn)成本較多，并且所得到的規(guī)律也缺乏廣泛的適用性，因此有學(xué)者提出通過建立數(shù)學(xué)模型的方式來探究激光熔覆涂層形貌與性能的控制方法，從而提高加工效率。趙洪運(yùn)等[12]分別用多元線性回歸分析和遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了熔覆層形貌的預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明多元回歸分析所建立模型的平均相對(duì)誤差為6.05%，而遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的平均相對(duì)誤差為2.49%。遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的誤差小、精度高，但是模型運(yùn)算復(fù)雜，函數(shù)關(guān)系模糊，而多元線性回歸分析應(yīng)用方便，能夠直觀地獲得工藝參數(shù)與熔覆層形貌參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，提高加工效率，所以推薦使用多元線性回歸分析。張炳發(fā)等[13]采用多元線性回歸分析所建立的預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)模型的最大相對(duì)誤差為11.94%，最小誤差為0.02%，平均相對(duì)誤差為4.38%。Meng等[14]采用多元線性回歸分析建立了工藝參數(shù)與熔覆層寬高比、稀釋率以及硬度的預(yù)測(cè)模型，在模型給出的最優(yōu)參數(shù)下得到了寬高比和硬度都比較高而稀釋率較低熔覆層，并且模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果之間誤差均小于10%。

熔覆質(zhì)量和熔覆層形貌是影響激光熔覆技術(shù)加工質(zhì)量和效率最主要的因素，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的研究，通過添加稀土元素[15]、采取超聲振動(dòng)輔助[16]等措施能夠大大提升熔覆層質(zhì)量。改善熔覆層質(zhì)量只是提高激光熔覆技術(shù)加工效率的一個(gè)方面，由于激光熔覆技術(shù)后續(xù)加工的必要性，將熔覆層的加工余量控制在一個(gè)合理范圍之內(nèi)，對(duì)加工效率的提高極為重要，而要想得到合理的加工余量必須對(duì)熔覆層形貌的控制做進(jìn)一步的研究，目前對(duì)于熔覆層表面形貌的研究大多止步于探究工藝參數(shù)對(duì)熔覆層幾何形貌的影響規(guī)律。因此為了實(shí)現(xiàn)熔覆層形貌的精確控制提高加工效率，對(duì)熔覆層幾何形貌進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，本文基于響應(yīng)面法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，探究激光工藝參數(shù)與熔覆層幾何形貌之間的關(guān)系，建立了3540Fe合金熔覆層幾何形貌的預(yù)測(cè)模型，為激光熔覆3540Fe合金熔覆層形貌的精確控制提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 設(shè)計(jì)

響應(yīng)面法即響應(yīng)曲線分析方法，是一種利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法獲得一定的數(shù)據(jù)，然后采用多元回歸方程來擬合各因素與響應(yīng)之間的函數(shù)關(guān)系。利用響應(yīng)面法可以通過有限次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定近似的模型，指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計(jì)或者試驗(yàn)，能夠有效節(jié)約試驗(yàn)成本。本次試驗(yàn)采用的是Design- Expert11軟件中的Box- Behnken Design（BBD）設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了三因素三水平的試驗(yàn)。用激光工藝參數(shù)中的激光功率（）、光斑直徑（）、掃描速度（）作為影響因素，選擇激光功率為1.6、1.7、1.8 kw，光斑直徑為3、4、5 mm，掃描速度為3、4、5 mm/s，以?1、0、1為要素水平對(duì)各因素進(jìn)行編碼，如表1所示。響應(yīng)目標(biāo)選擇熔覆層寬度（）、高度（）、熔池深度（f）、寬高比（）來表征熔覆層形貌，選擇熔覆層顯微硬度以及稀釋率（）來表征熔覆質(zhì)量。由此設(shè)計(jì)了15組激光工藝參數(shù)復(fù)合試驗(yàn)，如表2所示。

表1 激光工藝參數(shù)與因素水平

表2 BBD試驗(yàn)方案與結(jié)果

續(xù)表2

1.2 材料及方法

本次試驗(yàn)選用42CrMo鋼作為基體材料，基體大小為75 mm×15 mm×10 mm，其化學(xué)成分如表3所示。熔覆材料選用Fe基粉末添加1.2%含量的CeO2粉末，粒度范圍為40～100 μm。圖1為Fe基粉末的原始形貌，可以看出粉末基本為球形，流動(dòng)性較好，其化學(xué)成分如表4所示。

表3 42CrMo鋼化學(xué)成分

圖1 3540Fe粉末原始形貌

表4 3540Fe粉末化學(xué)成分

試驗(yàn)設(shè)備選用德國ROFIN-FLO20光纖激光器搭配KUKA-KR30-3機(jī)械手。在試驗(yàn)前利用砂紙將基體打磨干凈（150—400目），以去除基體表面銹跡和氧化物，并用無水乙醇清洗，防止氧化。本次試驗(yàn)采用預(yù)置粉末的方式進(jìn)行，粉末鋪設(shè)厚度為1 mm。試驗(yàn)前利用無水乙醇將熔覆粉末鋪設(shè)到基體上，然后放置到烘干箱進(jìn)行烘干處理（120 ℃，120 min）。試驗(yàn)采用氬氣作為保護(hù)氣體，以避免在熔覆過程中空氣中的其他元素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成干擾，保護(hù)氣流量為10 L/min。熔覆結(jié)束后，利用電火花線切割機(jī)將基體沿寬度方向進(jìn)行切割，得到20 mm×15 mm×10 mm的試樣，然后用150—1500目的砂紙對(duì)熔覆層截面進(jìn)行打磨，用15 μm的金剛石拋光劑進(jìn)行拋光，最后采用腐蝕液（(HCl)∶(C2H6O)=1∶3）腐蝕15 s，利用光學(xué)顯微鏡觀察熔覆層截面形貌并測(cè)量形貌特征數(shù)據(jù)，如熔覆層寬度、高度、熔池深度f，熔覆層截面形貌可分為熔覆層（CZ）、結(jié)合區(qū)（BZ）、熱影響區(qū)（HAZ）以及基體（Substrate），熔覆層截面如圖2所示。

圖2 熔覆層截面形貌（a）；顯微硬度測(cè)量位置示意圖（b）

熔覆層質(zhì)量一般由顯微硬度和稀釋率來表征。采用顯微維氏顯微硬度計(jì)（HV-1000）從熔覆層頂部每隔0.2 mm取1個(gè)點(diǎn)，共取12個(gè)，測(cè)3次，取平均值來表征熔覆層的顯微硬度。在熔覆過程中由于熔池的流動(dòng)作用，熔池底部的基體元素進(jìn)入熔池內(nèi)部，使得性能優(yōu)異的熔覆材料中混入基體元素而無法被充分利用，達(dá)不到理想的性能要求，所引起的變化程度就稱為稀釋率[17-18]，如式（1）所示。定義寬高比=/，它也是表征熔覆層形貌的一個(gè)重要參數(shù)，較大寬高比能夠獲得質(zhì)量較好的熔覆層[19]。

式中：為熔覆層的稀釋率；為熔覆層高度；f為熔池深度。

2 結(jié)果與分析

為降低模型誤差保證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，把各影響因素中不顯著的項(xiàng)去除。然后建立熔覆層寬度、高度、熔池深度、熔覆層顯微硬度、稀釋率以及寬高比6個(gè)響應(yīng)的多項(xiàng)式回歸模型[20]。

2.1 熔覆層幾何形貌預(yù)測(cè)模型

由熔覆層寬度、高度、熔池深度以及寬高比的方差分析（表5—8）可知，4種相應(yīng)的模型系數(shù)-value值分別為0.008 9、0.002 3、0.029 4、0.000 4，均小于0.05，證明該模型顯著；而所對(duì)應(yīng)的失擬項(xiàng)系數(shù)值和值都大于0.05，進(jìn)一步證明了該模型的擬合精確程度高，影響因素對(duì)于響應(yīng)目標(biāo)有顯著的作用；多元系數(shù)2（0≤2≤1）分別為0.950 7、0.971 7、0.917 7、0.953 5，都接近于1，證明這3種模型的相關(guān)性都很好；Adequate Precision（有效信號(hào)與噪聲的比值）分別為11.47、15.49、8.42、15.897 4，均大于4，證明3種模型有較高的可信度。

由表5熔覆層寬度方差分析可知，激光工藝參數(shù)中的激光功率對(duì)熔覆層寬度的影響最大，其次是光斑直徑，掃描速度的影響最小。由表6熔覆層高度方差分析可知，激光工藝參數(shù)中掃描速度對(duì)熔覆層高度有較大的影響，激光功率次之，光斑直徑的影響最小。由表7熔池深度方差分析可知，在激光工藝參數(shù)中對(duì)熔池深度影響最大的是光斑直徑，其次是激光功率，掃描速度對(duì)熔池深度的影響并不顯著。由表8寬高比方差分析可知，激光工藝參數(shù)中掃描速度對(duì)寬高比有較為顯著的影響。

表5 熔覆層寬度方差分析

表6 熔覆層高度方差分析

表7 熔池深度方差分析

表8 熔覆層寬高比方差分析

由圖3響應(yīng)目標(biāo)的殘差正態(tài)分布圖可知，各響應(yīng)目標(biāo)的殘差均近似分布在直線之上，表明該殘差的分布是隨機(jī)的，由此可知該模型對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行了比較好的擬合，提取了所有的可預(yù)測(cè)部分，適應(yīng)性良好，能夠滿足對(duì)于響應(yīng)目標(biāo)預(yù)測(cè)的需求。其中，在熔覆層高度的殘差正態(tài)分布圖中出現(xiàn)了2個(gè)偏移較大的點(diǎn)。如圖3b所示，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)該情況的主要原因是這2個(gè)偏移量較大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果分別是熔覆層高度的最大值和最小值點(diǎn)，導(dǎo)致殘差在此處出現(xiàn)了較大的變化。結(jié)合熔覆層高度的方差分析數(shù)據(jù)可知，熔覆層高度的模型系數(shù)-value值為0.002 3大于0.05；失擬項(xiàng)系數(shù)-value為2.02、-value為0.348 4，均大于0.05；且多元系數(shù)2（0≤2≤1）為0.971 7接近于1；Adequate precision（有效信號(hào)與噪聲的比值）為15.49大于4，說明這2個(gè)異常的殘差值點(diǎn)并未影響該預(yù)測(cè)模型的精度。

由圖4各響應(yīng)目標(biāo)的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比圖可以看出，圖上各點(diǎn)均分布在直線附近，說明通過模型得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高，一致性較好。特別是熔覆層高度，雖然殘差結(jié)果并不是非常理想，但由圖4b可知，各點(diǎn)基本分布在直線之上，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的平均誤差為1.81%，而熔覆層寬度的平均誤差為1.80%。與熔覆層寬度的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于熔覆層高度的預(yù)測(cè)模型其準(zhǔn)確程度并沒有降低，這與方差分析的結(jié)果也保持一致，說明僅依靠殘差并不能證明模型是否準(zhǔn)確，需要進(jìn)行多方面驗(yàn)證才能夠得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

圖3 響應(yīng)目標(biāo)的殘差正態(tài)分布圖

圖4 響應(yīng)目標(biāo)的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比圖

利用Design Expert軟件中的Box-Behnken Design（BBD）設(shè)計(jì)方法得到熔覆層寬度、高度、熔池深度以及寬高比預(yù)測(cè)模型的回歸系數(shù)，所建立的多項(xiàng)式回歸方程如公式(2)—(5)所示。

2.2 激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層幾何形貌的影響

由圖5a可以看出，當(dāng)激光功率增大時(shí)，熔覆層寬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。由于激光功率的增大使得熔覆層所接收的能量增多，導(dǎo)致熔池的尺寸擴(kuò)大，熔覆層寬度隨即增大。而試驗(yàn)所使用的光斑是圓形光斑，其能量呈高斯分布并非均勻分布。隨著激光功率的繼續(xù)上升，能量過多地集中于光斑中心的位置，邊緣位置的能量就會(huì)減少，熔池的尺寸降低，寬度自然也會(huì)減小。熔覆層寬度也會(huì)隨光斑直徑的增大而增大，這是因?yàn)楫?dāng)光斑直徑增大時(shí)，光束掃過的面積也會(huì)增大，從而導(dǎo)致熔池?cái)U(kuò)大，熔覆路徑的寬度自然也會(huì)增大。熔覆層寬度隨掃描速度的增大而降低，這是由于隨掃描速度增大，激光束作用在粉末上的時(shí)間就會(huì)減少，粉末所獲得的能量就會(huì)降低，熔池尺寸隨之變小，進(jìn)而導(dǎo)致熔覆層寬度變小。由圖5b—c可知，當(dāng)掃描速度為4 mm/s時(shí)，選取較大的激光功率和光斑直徑能夠獲得較大的熔覆層寬度。

由圖6a可以看出，當(dāng)激光功率增大時(shí)，熔覆層高度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著激光功率的增大，激光能量可以將熔覆粉末完全熔化，而隨著激光功率的持續(xù)增加，能量越來越大，導(dǎo)致部分粉末被汽化，所以熔覆層高度會(huì)先增大而后降低。隨光斑直徑的增大，熔覆層高度也表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)光斑直徑較小時(shí)，激光束掃過的粉末相對(duì)較少，隨著光斑直徑的增大，被激光束掃過的粉末體積增多，熔覆層高度也會(huì)隨之增高。隨著光斑直徑繼續(xù)增加，激光能量被分散、降低，導(dǎo)致激光能量密度不足以將所有粉末熔化，因此使得熔覆高度降低。由于隨著掃描速度的增加，激光束在粉末上停留的時(shí)間變短，能量減少，粉末無法完全熔化，所以熔覆層高度呈下降趨勢(shì)。由圖6b—c可知，當(dāng)掃描速度為4 mm/s時(shí)，選取較大的激光功率以及合適的光斑直徑能夠獲得較大的熔覆層高度。

由圖7a可以看出，隨激光功率的增大，進(jìn)入基體的能量會(huì)增多，進(jìn)而導(dǎo)致熔池會(huì)越來越深。當(dāng)光斑直徑增大時(shí)，一些激光能量分散到光束邊緣，光束中心的能量就會(huì)減少，熔池深度會(huì)隨之降低。掃描速度對(duì)熔池深度的影響并不顯著。由圖7b—c可知，當(dāng)掃描速度為4 mm/s時(shí)，選取較大的激光功率以及較小的光斑直徑能夠獲得比較深的熔池。

由圖8a可以看出，當(dāng)激光功率增大的時(shí)候，由于熔覆層寬度和高度都是呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，而且熔覆層寬度的變化程度要比熔覆高度快很多，因此寬高比也表現(xiàn)為先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)光斑直徑增大時(shí)，寬高比呈先降低后升高的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S光斑直徑的增大，熔覆層寬度隨之升高而高度是先升高后降低，而且熔覆層寬度升高的速度還比較快，當(dāng)光斑直徑增大到某一個(gè)位置時(shí)，它們變化的趨勢(shì)逐漸相同。但隨著光斑直徑繼續(xù)增大，熔覆層高度開始下降，而寬度仍在變大，所以就使得寬高比呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。隨著掃描速度的增大，熔覆層獲得的能量減少，熔覆層高度會(huì)迅速降低，進(jìn)而導(dǎo)致熔寬高比會(huì)隨掃描速度的增大而增大。由圖8b—c可知，當(dāng)掃描速度為4 mm/s時(shí)，選取較大的激光功率和光斑直徑能夠獲得比較大的寬高比。

圖5 激光工藝參數(shù)與熔覆層寬度關(guān)系

圖6 激光工藝參數(shù)與熔覆層高度關(guān)系

圖7 激光工藝參數(shù)與熔池深度關(guān)系

2.3 熔覆層質(zhì)量預(yù)測(cè)模型

由之前的預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果可知，熔覆層不存在裂紋、氣孔等缺陷，所以本文僅采用熔覆層顯微硬度和稀釋率來表征熔覆層質(zhì)量。由表9熔覆層顯微硬度的方差分析可知，顯微硬度預(yù)測(cè)模型的模型系數(shù)為0.028 1，小于0.05，證明該模型具有顯著性，回歸方程能夠?qū)崿F(xiàn)良好的擬合；失擬項(xiàng)的值與值均大于0.05，證明預(yù)測(cè)模型的誤差可以滿足要求，精確程度較好；多元系數(shù)2值為0.705 1，說明模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果有較好的一致性；Adequate Precision為7.535 9，大于4，證明模型的可信度及準(zhǔn)確度較好。通過對(duì)表中各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，激光工藝參數(shù)中激光功率和掃描速度對(duì)熔覆層顯微硬度有較為顯著的影響。由此得到熔覆層顯微硬度的擬合回歸方程如公式(6)所示。

由表10熔覆層稀釋率的方差分析可知，稀釋率預(yù)測(cè)模型的模型系數(shù)為0.008 6，小于0.05，證明該模型具有較高的顯著性，回歸方程能夠?qū)崿F(xiàn)良好的擬合；多元系數(shù)2值為0.919 7，說明該模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果有較好的一致性；Adequate precision為10.361 9，大于4，證明該模型有良好的可信度及準(zhǔn)確度。通過對(duì)表中各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，激光工藝參數(shù)中光斑直徑對(duì)熔覆層稀釋率有顯著的影響，激光功率次之。由此得到熔覆層稀釋率的擬合回歸方程如公式(7)所示。

表9 熔覆層顯微硬度方差分析

表10 熔覆層稀釋率方差分析

2.4 激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層顯微硬度的影響

由圖9a熔覆層顯微硬度的殘差正態(tài)分布圖可以看出，熔覆層顯微硬度的殘差分布近乎直線，證明該顯微硬度模型具有良好的適應(yīng)性。由圖9b模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果有不錯(cuò)的一致性，數(shù)據(jù)之間比較吻合，證明該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果較為精確，能夠?qū)崿F(xiàn)熔覆層顯微硬度的預(yù)測(cè)。

由圖10a可以看出，當(dāng)激光功率增大時(shí)，熔覆層顯微硬度會(huì)隨之降低，這是因?yàn)槿鄹膊牧现械腃r能溶于Ni中形成鎳鉻固溶體而增加熔覆層強(qiáng)度，還能與B和C形成硼化物和碳化物，提高熔覆層的顯微硬度[21]。隨激光功率上升熔池變大，基體中的Fe元素大量進(jìn)入熔池，稀釋了熔覆層中Cr等元素的含量，導(dǎo)致顯微硬度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。此外，熔覆層顯微硬度會(huì)隨掃描速度的增大而增大，這是因?yàn)殡S著掃描速度的提高，熔池冷卻的速率加快，晶粒沒有足夠的時(shí)間長大，晶粒細(xì)小致密使得熔覆層顯微硬度提高。光斑直徑對(duì)于熔覆層顯微硬度的影響并不顯著。由圖10b—c可知，當(dāng)掃描速度為4 mm/s時(shí)，選取較小的激光功率和合適的光斑直徑能夠獲得比較高的顯微硬度。

2.5 激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層稀釋率的影響

由圖11a熔覆層稀釋率的殘差正態(tài)分布圖可以看出，熔覆層稀釋率的殘差分布比較接近于一條直線，證明該顯微硬度模型具有不錯(cuò)的適應(yīng)性。由圖11b模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果分布近乎直線，表明其一致性良好，數(shù)據(jù)吻合程度較高，證明該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果比較精確，能夠?qū)崿F(xiàn)熔覆層稀釋率的預(yù)測(cè)。

由圖12a可以看出，當(dāng)激光功率增大時(shí)，由于作用在同一位置的激光能量變大，導(dǎo)致更多的基體被熔化，從而導(dǎo)致熔覆層稀釋率會(huì)隨之增高。當(dāng)光斑直徑增大時(shí)，激光能量被分散，基體熔化所需的能量減少，導(dǎo)致熔覆層稀釋率下降。此外，掃描速度對(duì)熔覆層稀釋率的影響不顯著。由圖12b—c可知，當(dāng)掃描速度為4 mm/s時(shí)，選取較大的激光功率和合適的光斑直徑能夠獲得比較大的稀釋率。

圖9 熔覆層顯微硬度的殘差正態(tài)分布圖和模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的對(duì)比

圖10 激光工藝參數(shù)與熔覆層顯微硬度關(guān)系

圖11 熔覆層稀釋率的殘差正態(tài)分布圖和模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的對(duì)比

圖12 激光工藝參數(shù)與熔覆層稀釋率關(guān)系

3 模型驗(yàn)證

建立模型的主要目的是提高激光熔覆加工的效率，在熔覆之前利用模型得到熔覆層幾何形貌的特征參數(shù)，通過調(diào)整工藝參數(shù)獲得加工余量最少的熔覆層。熔覆層質(zhì)量較高且形貌良好才能夠進(jìn)行后續(xù)的加工處理，而較大的硬度以及合適的寬高比能夠得到形貌良好且質(zhì)量較高的熔覆層。因此以熔覆層顯微硬度、寬高比為優(yōu)化條件，進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化以驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型精確與否，如表11所示。

以熔覆層顯微硬度以及熔覆層寬高比為優(yōu)化條件，選擇激光功率為1.8 kw、光斑直徑為3 mm、掃描速度為5 mm/s的工藝參數(shù)組合對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，所得熔覆層形貌如圖13所示。由表12可以看出，熔覆層寬高比預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值的誤差為7.14%，稀釋率為5.70%，顯微硬度誤差僅為2.74%，整體平均誤差為5.19%，最大誤差為7.14%。而范鵬飛等[22]建立的多元線性回歸模型的整體平均誤差為6.002 8%，最大誤差為8.058 6%；練國富等[23]所建立的模型誤差均在8%以內(nèi)，最大誤差為7.89%，如表13所示。由此可知，該預(yù)測(cè)模型的精度較高，可靠性較好，能夠滿足工藝參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)，對(duì)熔覆層形貌、質(zhì)量的精確控制以及提高熔覆的效率能夠發(fā)揮重要的作用。

表11 優(yōu)化條件及目標(biāo)

圖13 熔覆層截面形貌

表12 模型驗(yàn)證結(jié)果

表13 模型驗(yàn)證的誤差結(jié)果

4 結(jié)論

1）各激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層形貌的影響如下：激光功率對(duì)熔覆層寬度的影響最大，光斑直徑次之；掃描速度對(duì)熔覆層高度的影響最大，激光功率次之；光斑直徑對(duì)熔池深度的影響最大，激光功率次之；掃描速度對(duì)寬高比的影響最大。各激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響如下：激光功率對(duì)熔覆層顯微硬度的影響最大，掃描速度次之；光斑直徑對(duì)稀釋率的影響最大，激光功率次之。

2）通過選擇熔覆層顯微硬度和寬高比作為條件，對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)寬高比、稀釋率、顯微硬度的誤差分別為7.14%、5.70%、2.74%，模型準(zhǔn)確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)熔覆層幾何形貌的精確預(yù)測(cè)。

3）本試驗(yàn)采用響應(yīng)面法建立了3540Fe合金熔覆層幾何形貌預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了3540Fe合金熔覆層幾何形貌的精確預(yù)測(cè)，為熔覆層形貌的控制提供了理論依據(jù)。

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Morphology and Quality Prediction of Laser Cladding 3540Fe Coating Based on Response Surface Method

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520, China)

Laser cladding technology is an advanced surface modification technology which can significantly improve the properties of metal surface such as wear resistance, corrosion resistance and heat resistance. The step effect is caused by the processing mode of laser cladding technology, which can not meet the actual requirements of the cladding layer. In this paper, the influence of laser process parameters on the cladding layer morphology and quality is studied, and the related prediction model is established, which has certain significance to realize the precise control of cladding layer morphology.

According to the Box-Behnken Design (BBD) experiment scheme in Design-Expert 11 software, a three-factor and three-level experiment was designed. Laser power (), spot diameter () and scanning speed () were selected as the influencing factors. The value range of laser powerwas 1.6 kW, 1.7 kW and 1.8 kW, spot diameter was 3 mm, 4 mm and 5 mm, and scanning speed was 3 mm/s, 4 mm/s and 5 mm/s. Each factor was coded with ?1, 0 and 1 as the factor level. The cladding layer width (), height (), pool depth (f) and width to height ratio () were selected to characterize the cladding layer morphology, and the coating quality was characterized by microhardness (Microhardness) and dilution ratio (). Fifteen groups of laser process parameters compound experiments were designed. 42CrMo steel was used as the substrate, and 3540Fe iron base alloy powder with mass fraction ratio of 1.2%CeO2was used as cladding powder. Before the experiment, the base material was polished with 150-600 mesh sandpaper and cleaned with anhydrous ethanol. Then, the fully mixed powder was laid on the base material with anhydrous ethanol and the laying thickness was 1mm. Then, the drying treatment was carried out, the drying chamber temperature is set to 120 ℃ and lasts for 120 min argon was used as the shielding gas in the experiment, and the shielding gas flow was 10 L/min. After the experiment, the sample was machined into a size of 20 mm×15 mm×10 mm by WEDM. The section of the cladding layer was polished, and the hardness was measured by Vickers Microhardness tester (HV-1000). The sample was corroded with a corrosive solution (HCl∶C2H6O=1∶3) for 15 s. The section morphology of the cladding layer was observed and the morphological characteristic data were measured by optical microscope.

The effects of laser processing parameters on the morphology and quality of cladding layer are analyzed by response surface method as follows: laser power has the largest effect on the width of cladding layer, followed by spot diameter; scanning speed has the greatest influence on the height of cladding layer, followed by laser power. Spot diameter has the greatest influence on the molten pool depth, followed by laser power. Scanning speed has the greatest influence on aspect ratio. The effects of laser processing parameters on the quality of cladding layer are as follows: laser power has the greatest influence on the microhardness of cladding layer, followed by scanning speed; spot diameter has the greatest influence on dilution rate, followed by laser power.

The micro-hardness and width-to-height ratio of cladding layer were selected as constraint conditions to verify the prediction model. The results showed that the errors of width-to-height ratio, dilution ratio and micro-hardness were 7.14%, 5.70% and 2.74%, respectively. The model has high accuracy and can accurately predict the cladding layer's geometric morphology.

laser cladding; cladding layer morphology control; process parameters; 3540Fe; response surface method; prediction model

V261.8

A

1001-3660(2022)12-0392-14

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.040

2022–08–09；

2022–12–06

2022-08-09；

2022-12-06

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019GNC106102）；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2019MEE059、ZR2021ME198）；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助（D21017）

Key Research and Development Program of Shandong (2019GNC106102); Shandong Provincial Natural Science Foundation (ZR2019MEE059, ZR2021ME198); Supported by the 111 Project (D21017)

施曉帥（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧す饧庸ぜ霸僦圃臁?/p>

SHI Xiao-shuai (1997-), Male, Master, Research focus: laser processing and remanufacturing.

姜芙林（1985—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楦咚偌庸?、機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與制造、激光加工及再制造。

JIANG Fu-lin (1985-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: high speed machining, green design and manufacturing of mechanical products, laser processing and remanufacturing.

施曉帥，姜芙林，王玉玲，等. 基于響應(yīng)面法的激光熔覆3540Fe涂層形貌及質(zhì)量預(yù)測(cè)研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(12): 392-405.

SHI Xiao-shuai, JIANG Fu-lin, WANG Yu-ling, et al. Morphology and Quality Prediction of Laser Cladding 3540Fe Coating Based on Response Surface Method [J]. Surface Technology, 2022, 51(12): 392-405.

責(zé)任編輯：萬長清